§ 51. Коэффициент полезного действия

Проектирование гребного винта состоит в определении таких его геометрических элементов, формы и профиля лопастей, которые для данного судна обеспечивали бы, при заданной скорости, наиболее высокий КПД., т.е. отношения полезно используемой мощ-ности к затрачиваемой мощности двигателя.

Не вдаваясь в подробности, отметим, что главным образом КПД некавитирующего винта зависит от относительного скольжения винта (189), которое в свою очередь опреде-ляется соотношением скорости, диаметра и частоты вращения.

Максимальной эффективности гребной винт достигает при относительном сколь-жении 10 - 30 %. При увеличении скольжения КПД быстро падает: при работе винта в швартовном режиме он становится равным нулю. Подобным же образом КПД уменьшает-ся до нуля, когда вследствие больших оборотов при малом шаге упор винта равен нулю.

Однако следует еще учесть взаимовлияние корпуса и винта. При работе гребной винт захватывает и отбрасывает в корму значительные массы воды, вследствие чего ско-рость потока, обтекающего кормовую часть корпуса, повышается, а давление падает. Этому сопутствует явление засасывания, т.е. появление дополнительной силы сопротив-ления воды движению судна по сравнению с тем, которое оно испытывает при буксиров-ке. Следовательно, винт должен развивать упор, превышающий сопротивление корпуса на некоторую величину

(199)

Где t - коэффициент засасывания, величина которого зависит от скорости движе-ния судна и оводов корпуса в районе расположения винта, Р – упор, развиваемый вин-том, R – сила сопротивления воды движению судна.

В свою очередь и корпус судна, образуя попутный поток, уменьшает скорость по-тока воды, натекающей на гребной винт. Это учитывает коэффициент попутного потока ψ:

(200)

Коэффициент влияния корпуса выражается формулой:

, (201)

и находится в пределах 0,95 – 1,20. Правильное размещение винта за корпусом, конст-руирование обводов кормовой оконечности позволяют увеличить коэффициент влияния корпуса.

Общий пропульсивный КПД комплекса судно-двигатель-гребной винт, опреде-ляющий эффективность работы движителя за корпусом судна, вычисляется по

  p k m (202)

где p - КПД винта;

k - коэффициент влияния корпуса;

m - КПД валопровода.

Коэффициент влияния корпуса нередко оказывается больше единицы (1,1 - 1,15), а потери в валопроводе оцениваются величиной (0,9-0,95).

§ 52. Легкий или тяжелый гребной винт

Диаметр и шаг винта являются важнейшими параметрами, от которых зависит сте-пень использования мощности двигателя, а следовательно, и возможность достижения наибольшей скорости хода судна.

Каждый двигатель имеет свою так называемую внешнюю характеристику - зави-симость снимаемой с вала мощности от частоты вращения. При увеличении и шага, и диа-метра винта выше оптимальных значений лопасти захватывают и отбрасывают назад слишком большое количество воды: упор при этом возрастает, но одновременно увеличи-вается и потребный крутящий момент на гребном вале. Такой гребной винт называется гидродинамически тяжелым.

Наоборот, если шаг или диаметр винта малы, то и упор и потребный крутящий мо-мент будут меньше, поэтому двигатель не только легко разовьет, но и превысит значение номинальной частоты вращения вала. И в этом случае мощность двигателя будет исполь-зоваться не полностью, а работа на слишком высоких оборотах сопряжена с опасно боль-шим износом деталей. При этом надо подчеркнуть, что поскольку упор винта невелик, судно не достигнет максимально возможной скорости. Такой винт называется гидродина-мически легким. Гребной винт, позволяющий для конкретного сочетания судна и двигате-ля полностью использовать мощность последнего, называется согласованным.

Соответствие характеристик винта характеристикам судна имеет большое значе-ние. Винт, не соответствующий судну, не дает возможности использовать полную мощ-ность двигателя. При работе даже согласованный гребной винт может стать и «тяжелым», и «легким». Чтобы понять это, рассмотрим работу винта при разных внешних условиях.

Если сопротивление воды увеличилось, например, при движении во время волне-ния, скорость судна vр при том же упоре уменьшится. Из рисунка 71 видно, что угол атаки при этом увеличится, в результате чего увеличится составляющая Т. Это приводит к уве-личению момента гребного винта, то есть к перегрузке двигателя. – винт станет «тяже-лым». Если сопротивление воды уменьшается, то угол атаки мал, и при создании того же упора движитель будет увеличивать обороты, что приводит к износу двигателя.

Следует заметить, что согласованных винтов для конкретного сочетания судна и двигателя существует бесконечное множество. В самом деле, винт с несколько большим диаметром, но несколько меньшим шагом нагрузит двигатель так же, как и винт с мень-шим диаметром и большим шагом. Существует правило: при замене согласованного с корпусом и двигателем гребного винта другим, с близкими величинами D и H (расхожде-ние допустимо не более 10%), требуется, чтобы сумма этих величин для старого и нового винтов была равна.

Однако из этого множества согласованных винтов только один винт, с конкретны-ми значениями D и H, будет обладать наибольшим КПД. Такой винт называется опти-мальным. Целью расчёта гребного винта как раз и является нахождение оптимальных ве-личин диаметра и шага.

Элементы гребного винта для конкретного судна можно рассчитать, лишь распола-гая кривой сопротивления воды движению данного судна, внешней характеристикой дви-гателя и расчетными диаграммами, полученными по результатам модельных испытаний гребных винтов, имеющих определенные параметры и форму лопастей.

Кавитация

Кавитация – холодное кипение воды и образования пузырьков паров в области раз-режения на засасывающей стороне лопасти. В начальной стадии кавитации эти пузырьки невелики и на работе винта практически не сказываются. Однако когда эти пузырьки ло-паются, создаются огромные местные гидродинамические удары, отчего поверхность ло-пасти выкрашивается. Такое явление – разрушение лопасти винта из-за кавитации - назы-вается кавитационной эрозией. При длительной работе кавитирующего винта такие эро-зионные разрушения могут быть настолько значительными, что эффективность винта сни-зится

При дальнейшем повышении скорости наступает вторая стадия кавитации. Сплош-ная полость, состоящая из воздуха и пара, а проще говоря – пузырь – каверна, захватыва-ет всю лопасть и даже может замыкаться за ее пределами. Развиваемый винтом упор пада-ет из-за резкого увеличения лобового сопротивления и искажения формы лопастей. ло-пасть винта при этом не разрушается, но эффективность работы винта значительно сни-жается.

Момент наступления кавитации зависит не только от частоты вращения но и от ря-да других параметров. Так, чем меньше площадь лопастей, больше толщина их профиля и ближе к ватерлинии расположен винт, тем при меньшей частоте вращения, т.е. раньше на-ступает кавитация. Появлению кавитации способствует также большой угол наклона гребного вала, дефекты лопастей - изгиб, некачественная поверхность.

Упор, развиваемый гребным винтом, практически не зависит от площади лопастей. Наоборот, с увеличением этой площади возрастает трение о воду и на преодоление этого трения дополнительно расходуется мощность двигателя. С другой стороны, надо учесть, что при том же упоре на широких лопастях разрежение на засасывающей стороне меньше, чем на узких. Следовательно, широколопастной винт нужен там, где возможна кавитация

В большинстве случаев лопастям винтов придается небольшая саблевидность – линия середин сечений лопасти выполняется криволинейной с выпуклостью, направлен-ной по ходу вращения винта. Такие винты, благодаря более плавному входу лопастей в воду, отличаются меньшей вибрацией лопастей, в меньшей степени подвержены кавита-ции и имеют повышенную прочность входящих кромок.